Foto: Kate Whitley, www.biotechnologie.de Inhalt o o o o Was kann die genomische ZWS nicht ? QTL: Erfahrungen aus genomweiten Studien Begriffklärung [Re-]Sequenzierung Hochdurchsatzsequenzierung • technische Aspekte & Limitationen • Sequenzimputation o Nutzung der Daten • “Gene Hunting” • genomische Zuchtwertschätzung o Schlussfolgerung & Ausblick Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 Was kann die konventionelle ZWS? o BLUP-Tiermodell • nutzt Verwandteninformation • Zuchtwerte für Tiere ohne Eigenleistung o Limitation • Schätzung der Zufallshälfte aus Eltern nur über Nachkommen möglich • 50% der wahren Zuchtwertunterschiede in einer Population sind der Zufallshälfte zuzuordnen • NKP – Generationsintervall – Zuchtfortschritt/Jahr Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 Was kann die genomische ZWS? o gZWS erlaubt erstmals Schätzung der Zufallshälfte ohne Nachkommen o Sicherheit ~65% o Generationsintervall! Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 Was kann die genomische ZWS nicht? o ‘Black-Box System’ o Effekte von Varianten in Genen werden nicht berücksichtigt o modelliert Effekte von relativ langen Chromosomenstücken (umfassen hunderte bis tausende Gene) o Chromosomenstücke haben nur innerhalb Rasse vergleichbare Effekte • rasseübergreifende Schätzung daher bisher nahezu erfolglos! Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 o ‘Black BoxMilchmenge System’ o Effekt Anteil der genet. Varianz Anteil der genet. Varianz Gibt es überhaupt wichtige Gene? Chromosomenlänge (Mb) Eiweiß % Chromosomenlänge (Mb) DGAT1 Fett % Anteil der genet. Varianz Anteil der genet. Varianz Erkenntnisse BTA 14: aus genomweiten Studien: Zellzahl o Es gibt wichtige Gene (QTL) o 7 Unterschiede je nach Merkmal o viele Merkmale zeigen nur winzig kleine Effekte und keine wichtigen QTL (~infinitesimal) Chromosomenlänge (Mb) Chromosomenlänge (Mb) (Pimentel et al., 2011) Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 DNA-Sequenzierung o DNA (Desoxyribonukleinsäure) • Bauplan des Lebens • Bausteine (Nucleotide) verschieden durch Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin o Sequenzierung http://ghr.nlm.nih.gov • Abfolge der Basen am DNA Strang entschlüsseln o Re-Sequenzierung • Sequenz eines Referenztieres der Art (z.B. Rind) bekannt Referenzsequenz • Individuen werden re-sequenziert um Unterschiede zur Referenzsequenz zu untersuchen Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 DNA-Sequenzierung o Traditionelle Sequenzierung (Sanger) • geringe Fehlerrate • wenig Durchsatz o Hochdurchsatzsequenzierung (NGS) • • • • Genom in zufällig kleine Stücke zerteilt modifizierte Stücke binden an Flow Cell exponentielle Vermehrung der Stücke milliardenfach parallele Sequenzierung Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 Zuordnung “Alignment” der DNA-Segmente Re-Sequenziertes DNA Segment Referenzsequenz Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 Zuordnung “Alignment” der DNA-Segmente o Sequenzabschnitte passen meist nur an eine bestimmte Stelle der Referenzsequenz Referenzsequenz Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 Zuordnung “Alignment” der DNA-Segmente o Um das gesamte Genom re-sequenzieren zu können, ist eine mehrfache Abdeckung nötig 1x 2x 4-fache Abdeckung 3x 4x Referenzsequenz Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 Genotypisierung und Identifizierung neuer SNP Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 Genotypisierung und Identifizierung neuer SNP o neue SNP: Sequenzabschnitte die beim untersuchten Tier von der Referenzsequenz abweichen Tier ist heterozygot Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 Kosten und Durchsatz von 2001 bis 2011 o Durchsatz: x 1014 | Kosten x 1/60.000 http://www.genome.gov/sequencingcosts/ Pareek et al. (2011) Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 Limitationen o Fehlerrate 2 bis 5% • Einfluss der Abdeckung • intensive Forschungsaktivitäten • Fehlerrate deutlich höher als SNP Chips o Kosten • dz. rund 2.000€ für 10 fache Abdeckung • Kosten der Datenspeicherung • ca. 125 GB / Genom 10x ! Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 Sequenzimputation o wenige wichtige Ahnen machen einen Großteil der aktuellen genetischen Unterschiede aus Pausch, 2012; TU München, http://www.svt-asp.ch/PDF/2012/Ruedi%20Fries.pdf Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 Sequenzimputation Sequenz wichtiger Ahnen Chip Genotypen der Stierpopulation (HD, 50K) Imputierte Sequenz der gesamten Stierpopulation Schwarzenbacher Anzahl der Ahnen Imputationsfehler seltene Allele 3 Länder Seminar 2012 „Gene-Hunting“ o Sequenz nutzen um Varianten in Genen zu finden, die kausal ein Merkmal beeinflussen o kausale Varianten sind in der Sequenz zu finden! o „Nadel im Heuhaufen“ Problem o äußerst erfolgreich bei monogenen Erbfehlern o schwierig bei Leistungsmerkmalen • Effektgröße, Erbgang, Datenqualität und -umfang… • Ziel ist direkte Berücksichtigung in genom. ZWS Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 genomische Zuchtwertschätzung o näher an die wahren Geneffekte kommen • Sicherheit der Schätzung • rasseübergreifende ZWS • Stabilität der Schätzformel über Generationen o große Kalibrierungen nötig Phänotypen • internationale Zusammenarbeit • rasseübergreifende Kalibrierung? o neue statistische Verfahren nötig • Datenmengen • Vorauswahl bzw. Gewichtung der SNP Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 1000 Bull Genomes Project www.1000bullgenomes.com o Projekt initiiert von Ben Hayes • Vorbild 1000 Genomes Project beim Menschen • Partner bringen Sequenzdaten in das Projekt ein o Projektziele • • • • genetische Variabilität beim Rind abbilden Sequenzimputation genomweite Assoziationsstudien (Gene-Hunting) genomische ZWS Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 Ausblick & Schlussfolgerung o Die Sequenz ist der ultimative Genotyp o Kosten werden weiter sinken • populationsweite Sequenzierung? o wissenschaftlicher Erkenntnisgewinn • Auswirkungen der Selektion besser verstehen o praktische Anwendung • Sicherheit der genomischen Zuchtwerte • GS für kleine Rassen – rasseübergreifend o Genetik ist sehr komplex • Bäume wachsen nicht in den Himmel… Schwarzenbacher 3 Länder Seminar 2012 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Danksagung Dr. Marlies Dolezal, Quantomics Dr. Birgit Gredler, Qualitas AG MSc. Hubert Pausch, TUM Foto: Kate Whitley, www.biotechnologie.de
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